Kompaktere Bauformen in der Welt der Schaltregler

Die Geschichte der Entwicklung von nicht isolierten Schaltreglern ist geprägt von kontinuierlicher Komponentenintegration mit erhöhter Effizienz und Funktionalität. Dies erfolgte im Zuge sinkender Ausgangsspannung, da die Lastanforderungen von 5V auf 3,3V auf heutige Werte unter 1V gesunken sind. Gleichzeitig sind die Eingangsspannungen gestiegen, da höhere Systemleistungen höhere Busspannungen für geringere Stromaufnahme erfordern. Designs mit diskreten Bauelementen wurden mit IC-Controllern, die die Schalttransistoren und in jüngerer Zeit auch die magnetischen Bauelemente integriert haben, vereinfacht. Peripheriefunktionen wie Fehlerüberwachung, Stromaufteilung, Synchronisation und Sequenzierung wurden zunehmend in das IC-Design integriert.

Bereits seit den Anfängen der Entwicklung von Schaltreglern sind komplette, gekapselte Wandlermodule von verschiedenen Anbietern erhältlich. Sie boten bewährte Lösungen und ersparten den Kunden den Aufwand und das Risiko eines eigenen Designs. Dieser Verkauf gestaltete sich manchmal jedoch als schwierig, da erfahrene Ingenieure oft nicht bereit waren, für etwas, das sie selbst entwerfen konnten, eine Prämie zu zahlen. Sogar die Entwicklungszeit und das Risiko, die mit der Herstellung eines eigenen Designs einhergehen, könnten bei einem Produkt toleriert werden, das sich über Jahre gut verkauft und die F&E-Kosten um ein Vielfaches wieder einspielt. Hinzu kam ein gewisser beruflicher Stolz, ein Schaltnetzteil von Grund auf neu entwerfen zu können.

Die heutige Situation ist deutlich anders. Das Know-how im Bereich Power Design geht den OEMs verloren und die Techniken, die für die Erzielung der optimalen Leistung erforderlich sind, können sehr spezifisch sein und erfordern manchmal Prozesse, die selbst einem OEM möglicherweise nicht zur Verfügung stehen, wie das Formen von Ferritmaterialien. Zudem sind die Produktlebenszyklen auch viel kürzer, was bedeutet, dass Entwicklungskosten und Verzögerungen aufgrund von Designoptimierungen oder wiederholten EMV-Tests den ROI stärker beeinflussen (Abbildung 1).

Natürlich stellen die Hersteller von Steuerungs-ICs umfangreiche Anwendungsinformationen zur Verfügung, wodurch Designs oft trügerisch einfach erscheinen; aber diese vereinfachten Designtools können nicht immer die tatsächlichen Schaltungsanforderungen unter realen Bedingungen vorhersagen. Beispielsweise ist die vorgeschlagene Ausgangskapazität für reale dynamische Lasten, die zwischen aktivem und Ruhezustand um den Faktor eine Million schwanken und dabei unannehmbare Spannungssprünge hervorrufen können, häufig viel zu niedrig (Abbildung 2).

Induktivitäten werden in Anwendungshinweisen häufig „beschönigt“, wobei empfohlene Teile eher für die beste Leistung als für Preis und Praktikabilität ausgewählt werden. In der Realität kann die Auswahl einer optimalen Induktivität viele Wochen der Bewertung der Leistung über Temperatur-, Frequenz- und Laststromschwankungen – statisch und dynamisch – erfordern. Andere Parameter wie die Sättigungseigenschaften der Induktivität und das Streufeld können bei der Auslegung von entscheidender Bedeutung sein. Die EMV-Leistung eines fertigen Designs bleibt oft die „große Unbekannte“, bis das Layout der Schaltung auf der Endplatine abgeschlossen und die endgültige Bauteilauswahl erfolgt ist. Zu diesem Zeitpunkt sind Änderungen jedoch meist kostspielig. Ähnlich verhält es sich mit Kondensatoren, bei denen die für Leistung und Kosten optimalen Teile komplex sind, und wichtige Informationen wie die Eigeninduktivität in den Datenblättern häufig nicht ausreichend dokumentiert sind.

Hochmoderne Schaltreglerdesigns erreichen ihre hohe Leistungsdichte durch Steuer-ICs in BGA-Gehäusen. Diese Bausteine messen teils nur 2mm × 2mm und verfügen über eine Pad-Matrix mit einem Abstand von lediglich 0,4mm. Dies ist möglicherweise nicht mit dem bestehenden PCB-Bestückungsprozess des Anwenders kompatibel und erfordert ein präzises Auftragen von Lötpaste und teure Röntgenaufnahmen zur Überprüfung auf Kurzschlüsse oder schlechte Verbindungen. In ähnlicher Weise benötigt ein Wandlersteuerungs-IC unter Umständen eine komplexe Mehrschicht-PCB mit gefüllten und vergrabenen Durchkontaktierungen, die zu Masseebenen führen, um die Wärme aus dem Gehäuse effizient auf die Leiterplatte zu verteilen. Wenn der Benutzer diese Platinenkomplexität nicht für andere Schaltungen benötigt, entstehen zusätzliche Kosten für die Leiterplattenherstellung. Die Verwendung eines vorentwickelten Moduls kann diese speziellen Fertigungsanforderungen umgehen.

Man könnte argumentieren, dass Leistungsmodule als Allzweckprodukte konzipiert sein sollten und daher nicht unbedingt die optimale Lösung für eine einzelne Anwendung darstellen. Dennoch erzielen die neuesten Generationen eine hohe Leistungsfähigkeit über einen großen Bereich unterschiedlicher Betriebsbedingungen. Zum Beispiel:

• Die RPMH-Serie von RECOM umfasst sowohl eine 0,5A- als auch eine 1,5A-Variante. Die RPMH-0.5 bietet einen Eingangsspannungsbereich von bis zu 65V, während die RPMH-1.5 bis zu 60V unterstützt. Beide Varianten verfügen über einen einstellbaren Ausgang zwischen 2,5V und 28V. Sie sind in einem kompakten, EMV-geschirmten Gehäuse mit Abmessungen von nur 12,19mm × 12,19mm × 3,75mm untergebracht. Der Betrieb ist ohne aktive Kühlung bis zu 105°C möglich (siehe Abbildung 3), wodurch sich die Serie ideal für anspruchsvolle industrielle Anwendungen eignet.
• Für höhere Ströme bis zu 3A bietet die RPMB-Serie im selben Gehäuse einen Eingangsspannungsbereich von bis zu 36V sowie einen einstellbaren Ausgang von 1V bis 24V und damit hohe Flexibilität für unterschiedliche Spannungsversorgungen.
• Es ist auch ein 6A-Bauteil erhältlich, die RPM-Serie mit geringerer maximaler Eingangsspannung, ebenfalls in derselben Gehäusegröße, geeignet für platzkritische Anwendungen mit robustem Leistungsbedarf.
• Für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich deckt die RPZ-Serie einen breiten Ausgangsstrombereich von 0,5A bis 6A ab und vereint Effizienz und Flexibilität in einem platzsparenden Design.
• Die RPH-3.0 liefert 3A Ausgangsstrom und richtet sich an Hochleistungsanwendungen, die eine kompakte Bauform und eine robuste Wärmeableitung erfordern.
• Für noch höhere Stromanforderungen bietet die RPL-Serie Lösungen von 1A bis hin zu 20A und eignet sich damit ideal für Anwendungen mit hoher Stromdichte und präziser Spannungsregelung.

Aufgrund der extremen Integration in diesen Modultypen entstehen nur geringe Herstellungskosten, um eine umfassende Reihe von Steuerungs- und Überwachungsfunktionen wie:

• Ein-/Ausschalten
• Remote Sense (Fernmessung)
• Remote Trim (Fernabgleich)
• Sanftanlauf
• Power-Good-Signalisierung
• Sequenzierung der Stromversorgung

Die Module verfügen standardmäßig über robuste Schutzfunktionen gegen Eingangsunterspannung, Kurzschlüsse, Überströme und Übertemperatur. Es versteht sich von selbst, dass Anwendungen unter verschiedenen Schlaf- oder Volllastbedingungen von nahezu null Stromaufnahme (Ruhemodus) bis zum Nennmaximum (Volllast) betrieben werden können. Dementsprechend integrieren Module häufig Funktionen zur Minimierung des Stromverbrauchs bei geringer Last, während sie gleichzeitig die Effizienz maximieren – beispielsweise durch Phasenabschaltung (Phase Shedding) in Mehrphasen-Wandlertopologien.

Für die höchste Leistungsdichte verwenden Module fortschrittliche Produktionstechniken wie die Flip-Chip-on-Leadframe-Technologie mit Umspritzung. RECOMs RPX-Serie (Abbildung 4) ist ein hervorragendes Beispiel für die Erzielung einer Nennleistung von 4A in einem winzigen QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 5.0mm x 5.5mm x 4.0mm, wobei einige Teile der Serie für Umgebungstemperaturen bis 95°C Umgebungstemperatur bei Volllast ohne Zwangskühlung ausgelegt sind.

Die RPX-Serie ist ein Beispiel für ein Teil, das externe Kondensatoren benötigt, um spezifikationsgemäß zu funktionieren. Dies kann die Gesamtleistungsdichte tatsächlich erhöhen, da beispielsweise Eingangskondensatoren bereits an den Versorgungs- und Ausgangskondensatoren vorhanden sein können, und Ausgangskondensatoren exakt für die benötigte Nennspannung ausgewählt werden können. Wären diese intern, müssten sie überdimensioniert und auf die maximal mögliche hochgetrimmte Spannung ausgelegt werden, und würden wertvollen Platz beanspruchen.

On-Board Regler müssen häufig in der Lage sein, die Spannung sowohl zu erhöhen als auch zu senken (Buck-Boost-Fähigkeit). Eine typische Anwendung sind batteriebetriebene Geräte, bei denen die Stromversorgung so lange wie möglich aufrechterhalten werden muss, während sich die Batterie entlädt. Für eine positive Ausgangsspannung bei einem positiven Eingang war die herkömmliche Lösung ein SEPIC-, ZETA- oder Cuk-Wandler, die alle zwei Magnetelemente und komplexe Regelkreise benötigten. Moderne modulare Wandler können dank ihres hohen Integrationsgrades kostengünstig verschiedene Topologien realisieren.

Ein Beispiel ist die Buck-Boost-Schaltung mit vier Schaltern, bei der MOSFETs flexibel als Schalter oder Dioden eingesetzt werden, um nahtlos zwischen Buck- und Boost-Modus zu wechseln. Die RECOM RBB-Serie ist ein Beispiel mit einer Nennleistung von bis zu 4A in einem LGA-Gehäuse und sogar einem 3kW-Bauteil in einem Half-Brick-Format mit einem weiten Eingangsbereich von 9V bis 60V und einem Ausgang von 0V bis 60V. Typische Anwendungen für diese Serie sind die Umwandlung von 48V auf 24V oder 12V auf 24V in Batteriesystemen, Elektrofahrzeugen, Batteriespannungsstabilisatoren und leistungsstarke DC-Labornetzteile.